JP5255968B2 - 高さ測定装置とその測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば医療あるいは産業に用いられ、共焦点顕微鏡のような光学的手段を用いて、コントラストの高い試料の高さを測定する高さ測定装置とその測定方法に関する。

近年、ＬＣＤ基板や半導体ウェハ等の試料の共焦点画像を取得し、その画像を用いて試料の高さを測定し、高さ方向の変化から表面形状を提示する高さ測定装置が提供されている。この種の測定装置は、例えば被写界深度の浅い共焦点光学顕微鏡を用い、この共焦点顕微鏡の合焦位置を光軸方向に移動させながら当該顕微鏡により拡大された試料の光学像をカメラで撮像して、その撮像画像データをメモリに格納する。そして、この撮像画像データの中から輝度が最大となる画素を検出し、その最大輝度の画素を集めて１枚の画像を合成することで全焦点画像（extened focus image）を取得することができる。また、その最大輝度が得られたときの合焦位置（高さ）を各画素の位置であるとして１枚の画像を作成することで、高さ方向の形状を示す高さ画像または断面プロファイルを取得することができる。

尚、上記のような高さ測定装置の先行文献として、例えば特許文献１があげられる。この特許文献１に記載の測定装置は、反射率の大きく異なる２以上の物質を含む試料を撮影するために、試料から反射光の受信信号レベルが予め設定された適正範囲にあるか否かを判断し、適正範囲外である場合に、受光利得可変手段を制御することで、該信号レベルが適正範囲内となるように調整するというものである。

特許第３５６８２８６号公報

ところで、上記高さ測定装置に用いられる共焦点顕微鏡では、合焦位置を光軸方向に移動させる場合に、サンプリングレートがカメラのフレームレートで決定されることになる。共焦点顕微鏡は焦点深度が極度に狭いため、速度が高速になると、高さの異なるそれぞれの位置で画像を撮像し損ない、測定精度が低下する。そのため、移動速度を極端に低くして、測定精度を確保して測定する必要があり、タクトタイムが悪化することがあった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、試料に対する合焦位置を光軸方向に移動させて試料の高さを測定する場合に、測定精度を確保しつつタクトタイムを向上させることのできる高さ測定装置とその測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る高さ測定装置は、試料の光学像を一定のレートで走査し拡大する共焦点顕微鏡と、前記共焦点顕微鏡により拡大された前記試料の光学像を撮像するカメラと、前記試料に対し前記撮像のための光を照射する光源と、前記試料に対する前記共焦点顕微鏡の焦点位置をその光軸方向に移動させるもので、その移動速度として低速モードと高速モードを有する駆動機構と、前記駆動機構を通じて試料に対する前記共焦点顕微鏡の焦点位置を変化させながら前記カメラにより前記試料の光学像を撮像させてその撮像画像を取得する制御ユニットとを具備し、前記制御ユニットは、前記撮像画像の指定領域の輝度を計算して基準値と比較する比較手段と、前記焦点位置の移動範囲内で、前記指定領域の輝度値が基準値に満たない範囲では前記駆動機構を高速モードに、基準値以上となる範囲では前記駆動機構を低速モードに選択的に切替制御する速度制御手段と、前記低速モードの際に取得された撮像画像から輝度値が予め設定した最大範囲に含まれる画素領域を抽出し、この抽出した画素領域の輝度値が前記最大範囲内となる画像が取得されたときの前記共焦点顕微鏡の焦点位置をもとに前記試料の高さを算出する算出手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る高さ測定装置の高さ測定方法は、試料の光学像を共焦点顕微鏡により一定のレートで走査拡大し、駆動機構により試料に対する前記共焦点顕微鏡の焦点位置を変化させながらカメラにより前記試料の光学像を撮像させてその撮像画像を取得する場合に、前記撮像画像の指定領域の輝度を計算して基準値と比較し、前記焦点位置の移動範囲内で、前記指定領域の輝度値が基準値に満たない範囲では前記駆動機構を高速モードに、基準値以上となる範囲では前記駆動機構を低速モードに選択的に切替制御し、前記低速モードの際に取得された撮像画像から輝度値が予め設定した最大範囲に含まれる画素領域を抽出し、この抽出した画素領域の輝度値が前記最大範囲内となる画像が取得されたときの前記共焦点顕微鏡の焦点位置をもとに前記試料の高さを算出することを特徴とする。

本発明により、光軸上で試料を始点位置から終点位置に移動させる時、共焦点顕微鏡の画像を取り込み、最大輝度が得られる画素領域とその焦点位置を取得し、指定した画像上の領域の輝度値を基準値と比較し、その比較値が基準値を超える場合には移動速度を低速モードとし、低速モードで比較値が小さければ移動速度を元の高速モードに戻すようにして、一定以上の輝度が得られるときのみ低速モードに設定することで、測定精度を落とすことなく測定時間を短縮することが可能となる。

本発明によれば、試料に対する合焦位置を光軸方向に移動させて試料の高さを測定する場合に、測定精度を確保しつつタクトタイムを向上させることのできる高さ測定装置とその測定方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明に係る高さ測定装置の一実施形態を概略的に示す構成図である。図１において、光源１１から放射される平行光は共焦点光学顕微鏡１２の光学処理部１２１に入射され、当該光学処理部１２１から対物レンズ１２２を通り、試料台１２３に載置された試料１２４に到達する。試料１２４からの反射光は再び対物レンズ１２２を通り、光学処理部１２１の処理を受けてカメラ１３の撮像面で結像する。上記共焦点顕微鏡１２は、上記対物レンズ１２２の光軸（以下、Ｚ軸）の方向に試料台１２３を移動させるＺ軸駆動部１２５を備え、その高さはＺ軸上の座標値（以下、Ｚ座標値）としてリニアスケール１２６によって計測される。

上記カメラ１３で撮影された映像は制御測定処理装置１４に入力される。この制御測定処理装置１４はコンピュータ（ＰＣ）１５内のプログラムによって遂行され、主に光源１１の光量とＺ軸駆動部１２５を制御する。制御測定処理装置１４はカメラ１３の映像とリニアスケール１２６のＺ座標値より、高さ測定を行い、測定結果をコンピュータ１５に出力する。また、制御測定処理装置１４は試料１２４と対物レンズ１２２の距離を制御するために、Ｚ軸駆動部１２５を制御する。

図２は、上記高さ測定装置に用いられる共焦点顕微鏡１２の構成を概略的に示す概念図である。図２において、外部の光源１１から与えられる平行光は、光学処理部１２１に入射され、結像レンズ１２１ａによりニポウ（Nipkow）ディスク１２１ｂ上の特定のピンホール１２１ｃに結像される。ニポウディスク１２１ｂの前にはハーフミラー１２１ｄが配置される。このハーフミラー１２１ｄは結像レンズ１２１ａからの光を透過させる。

上記ピンホール１２１ｃを通過した光は、対物レンズ１２２に入り、試料１２４に到達する。試料１２４からの反射光は、対物レンズ１２２に戻り、再びピンホール１２１ｃを通過して共焦点効果を得る。この反射光はハーフミラー１２１ｄに入射される。このハーフミラー１２１ｄに入射された反射光は、９０度方向を変え、結像レンズ１２１ｅを通過して、カメラ１３の撮像面に結像される。

上記構成において、ニポウディスク１２１ｂは数千のピンホールを持っており、これらのピンホールが回転することで、数千本の光が試料１２４をスキャンすることとなる。その結果、試料１２４の反射光はカメラ１３の撮像面をスキャンするようになり、これによって撮像面で１枚の画像を得ることができる。

このように、共焦点顕微鏡１２は、合焦点位置と光学的に共役な位置にピンホール１２１ｃを設け、合焦点以外の光の通過を遮断することで、通常の光学顕微鏡より精細な画像を得ることが可能な顕微鏡であるが、合焦点以外の光を通さないために、通常の光学顕微鏡よりも、被写界深度が極めて狭いという特性を有する。

一方、上記制御測定処理装置１４は、基本的に図３に示すように構成される。すなわち、カメラ１３で得られた撮像画像の指定領域の輝度を計算して基準値と比較する比較部１４１と、焦点位置の移動範囲内で、指定領域の輝度値が基準値に満たない範囲ではＺ軸駆動部１２５を高速モードに、基準値以上となる範囲ではＺ軸駆動部１２５を低速モードに選択的に切替制御する速度制御部１４２と、低速モードの際に取得された撮像画像から輝度値が予め設定した最大範囲に含まれる画素領域を抽出し、この抽出した画素領域の輝度値が最大範囲内となる画像が取得されたときの共焦点顕微鏡１２の焦点位置（Ｚ座標値）をもとに試料１２４の高さを算出する算出部１４３とを備える。算出部１４３は、具体的には、１つ前の画像の輝度値を比較しながらより輝度値の高い画素とそのＺ座標を残すことで最大輝度の画像とその高さ情報を取得する。

ここで、図４を参照して上記共焦点顕微鏡１２を用いた高さ測定の方法を簡単に説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、なだらかな山形をした試料１２４をＺ軸方向（光軸方向）に向かって、裾野から頂上に移動しながら、映像を取得すると共にその時のＺ座標を記録していく。図４（ａ）に示す点線の画素の輝度値を縦軸に高さ、横軸に輝度をとると、図４（ｂ）に示すように、各Ｚ位置（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，…，Ｚ７，Ｚ８）によって、輝度値のピーク（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，…，Ｉ７，Ｉ８）を見ることができる。この曲線を以後、Ｚカーブと呼ぶ。このＺカーブは光学的顕微鏡よりも被写界深度が狭いために、急峻なカーブとなる。そのため、このピーク位置は各Ｚ位置の合焦点位置を特定することができる。撮像面の各画素に対して、Ｚカーブを得ることで各画素位置の高さ情報を得ることができる。

続いて、上記共焦点顕微鏡１２を用いた本発明の高さ測定シーケンスについて、図５及び図６を参照して説明する。
図５は、高さ測定の全体的な処理の流れを示すフローチャートである。図５において、初めにＺ軸移動範囲設定処理（ステップＳ１１）でＺ軸に沿って試料台１２３を移動させるＺ座標の範囲を指定する。高さ測定はＺ軸移動範囲設定処理（ステップＳ１１）で設定したＺ座標の範囲で、Ｚ座標を移動しながら、画像とそのＺ座標位置を取得し、より明るい輝度を持つ画素とそのＺ座標位置を残す処理である。次に、Ｚ軸移動速度設定（ステップＳ１２）により、Ｚ軸に沿って試料台１２３を移動させる速度を一定速度に設定する。

高さ測定シーケンス（ステップＳ１３）は１枚の画像の各画素位置に相当する高さ（Ｚ座標）を決定する処理である。高さ測定シーケンス（ステップＳ１３）については、図６にて詳述する。高さ測定シーケンス（ステップＳ１３）を終了すると、最後に高さデータ１と全焦点画像１の取得処理（ステップＳ１４）でその結果を取得する。高さデータ１は全画素に対する高さのデータであり、全焦点画像１とはＺ軸移動範囲に渡って、輝度値が高いデータを残して得られた画像である。

図６は、上記高さ測定シーケンス（ステップＳ１３）の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。高さ測定シーケンスは１枚の画像の各画素位置に相当する高さ（Ｚ座標）を決定するシーケンスで、図６に示すように、Ｚ軸のスタート位置に試料台１２３を移動させる処理（ステップＳ１３１）でＺ軸上のスタート位置に試料台１２３を移動させ、画像１取得処理（ステップＳ１３２）でスタート位置の画像１を取得し、Ｚ座標取得処理（ステップＳ１３３）でＺ座標を取得する。次に、高速設定処理（ステップＳ１３４）でＺ軸移動速度を高速モードに設定する。

この時点で、全ての指定領域完了判定処理（ステップＳ１３５）を行い、画像の指定領域の輝度値比較が完了したかどうかを判定する。もし、完了していないのならば、輝度計算処理（ステップＳ１３６）で指定領域の輝度値を計算する。この指定領域内の輝度値は指定領域内の画素の輝度値の平均値やピーク値などを指定する。続いて、指定領域の輝度は高いか否かの判定処理（ステップＳ１３７）を行い、指定領域の輝度値が暗い場合には、Ｚ軸移動処理（ステップＳ１３９）に移り、明るい場合には低速設定処理（ステップＳ１３８）でＺ軸移動速度を低速モードに設定し、Ｚ軸移動処理（ステップＳ１３９）に移る。Ｚ軸移動処理（ステップＳ１３９）はＺ座標のスタート位置から終了位置の方向に指定した低速モードの速度で移動させる。

画像２取得処理（ステップＳ１３１０）は新たな画像で画像２を更新し、Ｚ座標取得処理（ステップＳ１３１１）でその画像のＺ座標を取得する。輝度値比較処理（ステップＳ１３１２）は画像１と画像２の各画素に対応する輝度値を比較する。輝度値とＺ座標の更新処理（ステップＳ１３１３）は比較した輝度値でより輝度値が高い画素で画像１を更新し、同時にその更新画素のＺ座標を記録する処理である。Ｚ座標終了位置の判定処理（ステップＳ１３１４）はＺ座標が終了位置かどうかを判別し、終了位置でない場合は高速設定処理（ステップＳ１３４）に戻ってＺ軸移動を高速モードに設定して試料台１２３を高速移動させ、シーケンスを続ける。終了位置の場合、エンド（ステップＳ１３１５）となり、画像１は全画素位置に対応するＺ軸移動範囲で最も明るい輝度値のみを残した画像となり、全画素がＺ座標値を持つ。

ここで、図７に示すような立体的な形状を持つ試料の高さを測定することを想定する。この試料は、図７の断面１で断面プロファイルを見ると、図８に示すような、高い順に高さＡ、Ｂ、Ｃを持つプロファイルになっている。
Ｚ軸を高さＣから高さＡに向かって一定速度で移動させる場合、サンプリングレートはカメラのフレームレートで決定される。共焦点顕微鏡１２は、焦点深度が極度に狭いため、速度が高速であると、高さＡ、Ｂ、Ｃの位置で画像を撮像し損ない、測定精度が低下する。そのため、従来では、Ｚ軸移動速度を極端に下げることで、測定精度を確保して測定しており、タクトタイムが悪化することがあった。

そこで、本発明に係る高さ測定装置は、画像内の指定領域の輝度が指定輝度以上になった場合に、Ｚ軸移動速度を指定速度に減速し、減速中に指定輝度以下になった場合は元の速度に戻す事が可能な手段を有するようにした。これにより、共焦点顕微鏡１２を用いた高さ測定の精度を落とすことなく、タクトタイムを向上させることが可能となる。

以下、図９乃至図１１に示す具体例を参照して説明する。
図９は図７に示した試料の画像を示しており、斜線は設定された指定領域を示している。図１０（ａ）〜（ｄ）は、全てＺ軸の開始座標Ｚｓから終了座標Ｚｅに１回移動した時のグラフである。図１０（ａ）は領域Ａ，Ｂの輝度・Ｚ座標曲線を示しており、実線は領域Ａ、破線は領域Ｂを示している。図のように、破線は高さＺb0からＺb1の区間で輝度閾値を超え、実線は高さＺa0からＺa1の区間で輝度閾値を超える。図１０（ｂ）はＺ軸移動速度・Ｚ座標曲線を示しており、輝度閾値を超えた場合の速度をＶ2（低速モード）、輝度閾値を超えない場合の速度をＶ1（高速モード）とすると、図１０（ｂ）のようなグラフとなる。

図１１は本発明のＺ軸制御を行った時の移動時間Ｔ１と速度Ｖ２で移動した時の移動時間Ｔ２を比較したものである。図１１において、縦軸はＺ座標、横軸は時間を示しており、実線は本発明のＺ軸制御を行った場合、破線は速度Ｖ２で移動した時の直線、細線は速度Ｖ1で移動した時の直線を示している。

図１１から明らかなように、本発明のＺ軸制御を行うと、Ｚb0からＺb1の区間とＺa0からＺa1の区間で速度Ｖ2となり、それ以外では速度Ｖ1となる。本発明の移動時間Ｔ1と速度Ｖ2の移動時間Ｔ2を比較すると、Ｔ1＜Ｔ2となり、本発明を使用することで、高速に測定することができ、タクトタイムが向上することがわかる。
図１０（ｃ）は速度Ｖ１で速度一定にしたときの画像の撮像タイミング（サンプリング位置）を黒丸が示しおり、２つの輝度値のピーク値周辺で画像を取得できていないのがわかる。図１０（ｄ）は本発明のＺ軸制御を行った時の画像の撮像タイミング（サンプリング位置）を黒丸が示しており、輝度値のピーク値周辺で速度が落ちるために、２つの輝度値のピーク値周辺で画像を取得し、精度の高い測定が期待できる。このように、本発明を用いることで、精度を落とさずタクトタイムの向上が可能になる。

以上、説明してきた、Ｚ軸の移動範囲（上限、下限）、Ｚ軸速度指定（低速、高速）、輝度閾値はレシピと呼ばれる、制御パラメータを保存する電子データに格納される。図１２はレシピを設定するアプリケーションソフトのユーザーインターフェース画面の一例である。図のように、Ｚ軸の移動範囲（上限、下限）、Ｚ軸速度指定（低速、高速）、輝度閾値を画面内で指定できるようになっている。

したがって、上記構成による高さ測定装置によれば、光軸（Ｚ軸）上で試料台１２３を始点位置から終点位置に移動させる時、リニアスケール１２６のデータと顕微鏡１２の画像を取り込み、１つ前の画像の輝度値を比較しながらより輝度値の高い画素とそのＺ座標を残すようにし、指定した画像上の領域の輝度値をある指定値と比較し、その比較値が大きければＺ軸移動速度を減速し、減速中に比較値が小さければＺ軸移動速度を元の速度に戻すようにして、一定以上の輝度が得られるときのみ低速モードに設定するようにしているので、測定精度を落とす事なく測定時間を短縮することができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成することもできる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係る高さ測定装置の一実施形態を概略的に示す構成図。 上記実施形態の高さ測定装置に用いられる共焦点顕微鏡１２の構成を概略的に示す概念図。 上記実施形態の高さ測定装置に用いられる制御測定処理装置１４の基本的な構成を示すブロック図。 上記実施形態の共焦点顕微鏡を用いた高さ測定の方法を簡単に説明するための概念図。 上記実施形態の高さ測定の全体的な処理の流れを示すフローチャート。 図５に示した高さ測定シーケンスの具体的な処理の流れを示すフローチャート。 上記実施形態において、立体的な形状を持つ試料の高さを測定することを想定するための立体図。 図７に示した試料の断面プロファイルを示す図。 図７に示した試料の撮影画像を示す図。 図９に示す撮影画像を取得している状態で、Ｚ軸の開始座標Ｚｓから終了座標Ｚｅに１回移動した時の条件別のグラフを示す図。 上記実施形態のＺ軸制御を行った時の移動時間Ｔ１と速度Ｖ２で移動した時の移動時間Ｔ２を比較した図。 上記実施形態のレシピ設定画面を示す図。

符号の説明

１１…光源、１２…共焦点光学顕微鏡、１２１…光学処理部、１２２…対物レンズ、１２３…試料台、１２４…試料、１２５…Ｚ軸駆動部、１２６…リニアスケール、１３…カメラ、１４…制御測定処理装置、１５…コンピュータ（ＰＣ）、１２１ａ…結像レンズ、１２１ｂ…ニポウ（Nipkow）ディスク、１２１ｃ…ピンホール、１２１ｄ…ハーフミラー、１２１ｅ…結像レンズ、１４１…比較部、１４２…速度制御部、１４３…高さ算出部。

Claims (3)

1. 試料の光学像を一定のレートで走査し拡大する共焦点顕微鏡と、
   前記共焦点顕微鏡により拡大された前記試料の光学像を撮像するカメラと、
   前記試料に対し前記撮像のための光を照射する光源と、
   前記試料に対する前記共焦点顕微鏡の焦点位置をその光軸方向に移動させるもので、その移動速度として低速モードと高速モードを有する駆動機構と、
   前記駆動機構を通じて試料に対する前記共焦点顕微鏡の焦点位置を変化させながら前記カメラにより前記試料の光学像を撮像させてその撮像画像を取得する制御ユニットと
   を具備し、
   前記制御ユニットは、
   前記撮像画像の指定領域の輝度を計算して基準値と比較する比較手段と、
   前記焦点位置の移動範囲内で、前記指定領域の輝度値が基準値に満たない範囲では前記駆動機構を高速モードに、基準値以上となる範囲では前記駆動機構を低速モードに選択的に切替制御する速度制御手段と、
   前記取得された撮像画像から輝度値が予め設定した最大範囲に含まれる画素領域を抽出し、この抽出した画素領域の輝度値が前記最大範囲内となる画像が取得されたときの前記共焦点顕微鏡の焦点位置をもとに前記試料の高さを算出する算出手段と
   を備えることを特徴とする高さ測定装置。
2. 前記算出手段は、１つ前の撮像画像の輝度値と比較してより輝度値の高い画素とそのＺ座標を残すことを特徴とする請求項１記載の高さ測定装置。
3. 試料の光学像を共焦点顕微鏡により一定のレートで走査拡大し、駆動機構により試料に対する前記共焦点顕微鏡の焦点位置を変化させながらカメラにより前記試料の光学像を撮像させてその撮像画像を取得する高さ測定装置の測定方法において、
   前記撮像画像の指定領域の輝度を計算して基準値と比較し、
   前記焦点位置の移動範囲内で、前記指定領域の輝度値が基準値に満たない範囲では前記駆動機構を高速モードに、基準値以上となる範囲では前記駆動機構を低速モードに選択的に切替制御し、
   前記取得された撮像画像から輝度値が予め設定した最大範囲に含まれる画素領域を抽出し、この抽出した画素領域の輝度値が前記最大範囲内となる画像が取得されたときの前記共焦点顕微鏡の焦点位置をもとに前記試料の高さを算出することを特徴とする高さ測定装置の測定方法。

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